Tổng quan kỹ thuật thép 4340

Tổng quan kỹ thuật về thép 4340: Thép 4340 là loại thép hợp kim thấp, cacbon trung bình phổ biến. Nó được biết đến với độ bền cao, khả năng làm cứng sâu và độ dẻo dai, đạt được thông qua các quy trình xử lý nhiệt như làm nguội và ram. Loại thép này thường chứa các nguyên tố hợp kim như crom, niken và molypden và thường được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi điều kiện dịch vụ khắc nghiệt vừa phải, bao gồm các thành phần như bánh răng, rãnh và trục.

1. Thành phần hóa học

Cacbon (C)	Crom (Cr)	Niken (Ni)	Molipđen (Mo)	Mangan (Mn)	Silic (Si)	Phốt pho (P)	Lưu huỳnh (S)
0.38 – 0.43%	0.70 – 0.90%	1.65 – 2.00%	0.20 – 0.30%	0.60 – 0.80%	0.15 – 0.35%	≤ 0,035% (tối đa)	≤ 0,040% (tối đa)

2. Tính chất cơ học của thép 4340

Tính chất cơ học điển hình của thép 4340 sau khi tôi dầu từ 845 °C (1550 °F) và ram ở nhiều nhiệt độ khác nhau

Nhiệt độ tôi luyện	Độ bền kéo	Sức chịu lực	Độ giãn dài 50mm (2 in.)	Giảm Diện Tích	Độ cứng	Năng lượng va chạm Izod
205 °C (400 °F)	Xấp xỉ 1980 MPa (287 ksi)	Xấp xỉ 1860 MPa (270 ksi)	Khoảng 11%	Khoảng 39%	Xấp xỉ 520 HB (≈ 53 HRC)	Khoảng 20 J (15 ft·lb)
425 °C (800 °F)	Xấp xỉ 1500 MPa (217 ksi)	Xấp xỉ 1365 MPa (198 ksi)	Khoảng 14%	Khoảng 48%	Xấp xỉ 440 HB (≈ 46 HRC)	Khoảng 16 J (12 ft·lb)
650 °C (1200 °F)	Xấp xỉ 1020 MPa (148 ksi)	Xấp xỉ 860 MPa (125 ksi)	Khoảng 20%	Khoảng 60%	Xấp xỉ 290 HB (≈ 31 HRC)	Khoảng 100 J (74 ft·lb)

3. Ứng dụng thép 4340

• Bánh răng, Rãnh và Trục: Độ bền và độ dẻo dai cao của thép 4340 khiến nó được sử dụng rộng rãi để sản xuất bánh răng và rãnh phải chịu được mô-men xoắn và tải trọng va đập lớn. Nó cũng được sử dụng để sản xuất trục cho các máy móc khác, nơi khả năng chống mỏi và ứng suất xoắn là cần thiết.
• Linh kiện máy bay: Khả năng đạt được tỷ lệ độ bền trên trọng lượng cao của thép 4340 đã qua xử lý nhiệt khiến nó được sử dụng trong các cấu trúc máy bay cụ thể, chẳng hạn như các bộ phận bánh đáp và các bộ phận của khung máy bay, nơi mà hỏng hóc trong điều kiện khắc nghiệt không phải là một lựa chọn. Điều quan trọng cần lưu ý là chúng ta phải yêu cầu thử nghiệm và kiểm soát chất lượng nghiêm ngặt, chẳng hạn như thử nghiệm tính chất cơ học ngang, đối với máy bay.
• Phụ tùng ô tô:Một số ứng dụng của thép 4340 có thể bao gồm các bộ phận ô tô có nhu cầu cao, đòi hỏi độ bền và sức mạnh, chẳng hạn như một số loại trục và bộ phận hệ thống treo.
• Công cụ và khuôn mẫu:Mặc dù 4340 thường không phải là "thép công cụ" chính như thép cacbon cao hoặc thép tốc độ cao, nhưng sự kết hợp giữa độ bền và độ dẻo dai của nó có thể khiến nó hữu ích cho một số ứng dụng gia công, chẳng hạn như khuôn kẹp và khuôn rèn thả, chủ yếu cho các đợt sản xuất ngắn hơn hoặc dịch vụ ít khắc nghiệt hơn, trong đó khả năng chống mài mòn cực cao không phải là yếu tố quan trọng nhất.
• Linh kiện ngành dầu khí: Độ bền và độ dẻo dai tốt của thép 4340 cũng làm cho nó phù hợp với một số thành phần của ngành dầu khí trong môi trường khắc nghiệt và các bộ phận chịu ứng suất cao. Ví dụ, nó có thể được sử dụng trong đường ống và van để thu thập và lọc dầu
• Ứng dụng vòng bi: 52100 thường được sử dụng cho vòng bi, nhưng đối với một số ứng dụng có dung sai chặt chẽ hơn hoặc hiệu suất thấp hơn, 4340, đặc biệt là trong điều kiện thấm cacbon, vẫn có thể được xem xét, khi cần cân bằng giữa độ bền và độ dẻo dai.
• Bu lông và ốc vít cường độ cao:Do có khả năng đạt được độ bền cao thông qua xử lý nhiệt, thép 4340 là ứng cử viên sáng giá cho các loại bu lông và ốc vít có độ bền cao trong các tình huống quan trọng hoặc chịu ứng suất cao.
• Máy móc và các thành phần cấu trúc: 4340 thường được sử dụng như thép máy móc có độ bền cao, mặc dù nó cũng có thể được sử dụng trong nhiều loại thành phần kết cấu và cơ khí đòi hỏi độ bền từ trung bình đến cao và độ dẻo dai tốt. Ví dụ có thể là các bộ phận cho thiết bị hạng nặng, máy móc công nghiệp hoặc các kỹ thuật có nhu cầu cao khác.

4. Xử lý nhiệt

4.1 Làm nóng trước

Bước này hữu ích để hạn chế sốc nhiệt cho thép trong giai đoạn austenit hóa nhiệt độ cao tiếp theo. Nó cải thiện tính đồng nhất tổng thể của quá trình gia nhiệt và giảm khả năng nứt, đặc biệt là ở những khu vực của thành phần có hình dạng phức tạp hoặc mặt cắt ngang khác nhau. Đối với thép 4340, nhiệt độ nung nóng trước thông thường sẽ là 1200°F (650°C) trong một thời gian ngắn để đưa bộ phận lên nhiệt độ đồng đều. Bước này cũng có thể giúp làm giảm một số ứng suất phát sinh trong các quy trình sản xuất trước đó như gia công.

4.2 Austenit hóa

Austenitizing là quá trình chính, bao gồm việc nung thép đến nhiệt độ cao đã chọn, thường nằm trong khoảng từ 1500 đến 1575°F (815 đến 855°C) và giữ ở nhiệt độ này trong thời gian ngâm đủ để cho phép cấu trúc vi mô chuyển đổi 100% thành austenit. Độ dày của các phần sẽ xác định nhiệt độ austenitizing cụ thể và thời gian giữ. Mục tiêu là đạt được cấu trúc austenit đồng nhất trước giai đoạn tiếp theo.

4.3 Làm nguội

Sau khi austenit hóa, thép phải được làm nguội đủ nhanh để chuyển austenit thành martensite, một pha có độ bền cao và thường giòn. Làm nguội bằng dầu là phương pháp phổ biến nhất đối với thép 4340 để đạt được sự cân bằng tốt về độ cứng và giảm thiểu biến dạng và nứt. Tuy nhiên, đối với các tiết diện lớn hơn (ví dụ: đường kính lớn hơn 75 mm (3 in)), có thể sử dụng làm nguội bằng nước để đạt được quá trình làm cứng hoàn toàn, mặc dù điều này làm tăng đáng kể khả năng nứt. Điều quan trọng cần đề cập là việc nắn thẳng chi tiết, nếu cần do biến dạng trong quá trình làm nguội, thường có thể được thực hiện khi nhiệt độ thép vẫn cao hơn khoảng 400°F (205°C).

4.4 Làm nguội

Thép 4340 sau khi tôi có cấu trúc hoàn toàn là martensitic, thường quá giòn đối với hầu hết các ứng dụng kỹ thuật. Sau khi tôi, thép đã tôi phải được ram, thường là bằng cách nung lại ở nhiệt độ thấp hơn, thường là từ 300 đến 1300°F (150 đến 705°C), giữ ở nhiệt độ đó trong một khoảng thời gian cụ thể (thường là ít nhất 2 giờ cho mỗi inch mặt cắt ngang), trước khi làm nguội đến nhiệt độ phòng. Như đã đề cập trước đó, nhiệt độ ram ảnh hưởng trực tiếp đến các tính chất cơ học đạt được. Nhìn chung, nhiệt độ ram thấp hơn tạo ra độ bền và độ cứng cao hơn, trong khi nhiệt độ cao hơn tạo ra độ dẻo và độ dai lớn hơn. Đối với một số ứng dụng, đôi khi có thể sử dụng chế độ ram kép.

4.5 Giảm căng thẳng (Tùy chọn, Khuyến nghị)

Để giảm ứng suất dư từ gia công, tạo hình hoặc hàn, hãy cân nhắc xử lý giảm ứng suất trước quá trình tôi (để tránh biến dạng quá mức trong quá trình tôi) hoặc sau khi tôi (nhưng thấp hơn nhiệt độ tôi để tránh ảnh hưởng đến độ cứng tôi). Đối với thép, phạm vi nhiệt độ giảm ứng suất thông thường sẽ là 650 đến 675°C (1200 đến 1250°F), với thời gian giữ tùy thuộc vào độ dày của mặt cắt.

4.6 Xử lý dưới 0 (Tùy chọn)

Nếu tính ổn định về kích thước là yếu tố quan trọng nhất, các thành phần có thể được xử lý dưới 0 độ (làm lạnh đến -87 đến -60°C hoặc -125 đến -75°F) sau khi tôi và trước khi ram để chuyển đổi austenit còn lại thành martensite. Sau đó là ram để đạt được các tính chất mong muốn cuối cùng và làm giảm độ giòn của martensite mới hình thành.

5. Sự khác biệt giữa thép 4140 và thép 4340 là gì?

Sự khác biệt chính giữa 4140 và thép 4340 nằm ở việc bổ sung niken vào 4340, cùng với hàm lượng molypden cao hơn một chút trong một số thông số kỹ thuật, dẫn đến khả năng làm cứng được tăng cường, độ bền cao hơn và độ dẻo dai được cải thiện so với 4140. Điều này làm cho 4340 phù hợp hơn với các ứng dụng chịu ứng suất cao hơn và kích thước thành phần lớn hơn. Khi lựa chọn giữa hai loại, điều quan trọng là phải xem xét các yêu cầu về tính chất cơ học cụ thể và kích thước của bộ phận liên quan đến các đặc tính làm cứng của từng loại thép.